国际空间站有效载荷集成流程分析

王明芳，刘迎春，吕从民，郭丽丽

(中国科学院空间应用工程与技术中心，北京100094)

1 引言

在国际空间站(ISS)的建设过程中，NASA建立了一套科学、规范、有效的任务实施流程，涵盖任务规划、实施、实施后科学研究、总结改进这一全生命周期过程，称为有效载荷集成(Payload Integration)［1］。NASA将整个集成流程编写成一本入门指导书，在项目意向阶段即分发给各项目的有效载荷研制方(PD，Payload Developer)和项目研究者(PI，Project Investigator)作为指导。ISS有效载荷的集成流程从理念上不完全等同于传统卫星有效载荷随飞行任务实施的研制流程，对此，本文将进行系统分析和研究。

2 有效载荷集成流程

目前国际空间站提供两类有效载荷集成流程，标准流程和精益流程。载荷通常采用36个月的标准集成流程，可获得较多的ISS航天器和地面运控支持，PD完全按照载荷参试的飞行任务计划节点开展工作。精益流程是在标准流程中提供4个直通入口，允许载荷在通过一系列评审后，最快在6个月内完成飞行任务准备后参试。这两种模式互为补充，有效支持了ISS载荷随飞行任务的滚动实施。

2.1 标准集成流程

标准集成流程［2-7］中，ISS有效载荷整个集成流程被分为四个阶段，分别是战略阶段、战术阶段、实时运行阶段和飞行试验后阶段(见图1)。战略阶段包括载荷需求、硬件设计和研制、安全性评估等。战术阶段包括开发航天员手册、航天员训练、需求验证和转运前评审等。实时运行阶段包括硬件集成到航天器、发射、运行和载荷返回等。飞行后阶段包括航天器分解需求、载荷样品/硬件从着陆场回收、经验总结、航天员汇报和所需的任务总结报告等。

图1 ISS有效载荷标准集成流程Fig.1 Standard integration template of ISS payloads

2.2 精益集成流程

精益集成流程［8］与标准集成流程的不同之处在于不需要遵从战略和战术阶段的流程，而是通过一种直通入口程序的控制将其纳入到飞行任务中(见图2)。从图2可以看出，精益流程是通过4次入口控制，满足一定的标准，经过多方多层次的检查和评审，将一些研究项目快速的纳入到飞行任务中。

入口1(Gate1)主要是确定载荷是否满足精益流程标准。当ISS有效载荷办公室获知可能上行的有效载荷后，就指定有效载荷集成经理(PIM，Payload Integration Manager)来检查有效载荷信息。有效载荷信息检查将决定该载荷在运控、硬件和软件等方面是否满足精益流程标准。如果满足，ISS有效载荷办公室和PD将继续进行该有效载荷的精益集成。如果在集成过程中的任何一点确定有效载荷比在Gate1评估时复杂，有效载荷的集成计划将更新，并采用标准集成模式进行集成。换句话说，已具有一定研制基础的有效载荷在通过一系列严格的评审后可以走“快速通道”，跳过研制流程的前期阶段。

入口2(Gate2)主要活动是载荷的安全性和运控等方面的工作。

入口3(Gate3)主要是关键技术数据的提交。一旦精益集成技术数据包顺利通过PIM、站上设施负责人和运控团队的检查，确认数据的完整性和准确性后，该有效载荷就可以进入飞行配套。

入口4(Gate4)主要包含接口的工程验证和程序检查等，其完成的标志是有效载荷硬件转运到总装地点。

3 多线并行的集成方式

一旦项目成为候选，国际空间站有效载荷办公室就为有效载荷设立PIM，PIM可以是某个人也可以是某个组织，在整个有效载荷集成过程中都起着不可或缺的作用。他确保有效载荷满足ISS的技术、进度和资源约束要求，同时代表PD的利益，保证有效载荷提出的运行需求得到落实。PIM的职责范围很宽，如图3所示，在有效载荷集成过程中的各个专业领域都需要进行有效地协调，岗位能力要求非常高。

部分有效载荷的集成顺序进行，大多数载荷的集成并行实施。PIM会来帮助PD进行有效载荷的集成。NASA有效载荷的集成工作是分布式完成的，包括了研究计划集成和任务集成两大类，从实施层面按分工和专业不同，集成包括研究集成、任务集成、工程集成、软件集成、运控集成、测试集成、发射场和着陆场保障、任务后报告集成等多个并行线［1］。

图2 ISS有效载荷精益集成流程Fig.2 Lean integration template of ISS payloads

图3 PIM职责范围Fig.3 PIM’s responsibilities

3.1 研究集成

对于一次飞行任务，研究集成［1，9］的第一步是由研究规划组发布征集研究项目和有效载荷的指南。指南中会明确飞行任务计划进度及其飞行机会的安排。指南发布后半个月，有意向的研究团队或有效载荷团队提交相应的研究规划数据包，内容包括候选载荷清单、实验概述、载荷资源需求等。研究规划组组织对各提交项目的需求和约束等进行评审，比较和评估载荷提出的需求和ISS项目提供的资源，确定ISS项目能够分配给该载荷的应用资源，根据评审结果形成一份整体研究规划报告。各合作参与方再对该研究规划报告进行评审，包括建议研究项目清单及主要内容、所分配的资源、运输要求(上下行)、存储要求和航天员操作时间需求等，提出增加、删减或修改的建议，并达成一致意见，最后形成正式的研究规划，由有效载荷控制委员会(PCB)评审和批准。

3.2 任务集成过程

3.2.1 硬件可行性评估

硬件可行性评估［1］在研究规划评估时便开始进行，目的是暴露各项目潜在的任务集成问题，以便PCB将适宜的有效载荷纳入到研究规划报告中。该过程对候选项目填写有效载荷可行性检查单并对检查单进行评审，形成任务可行性评估表。PIM进一步组织对任务可行性评估表进行评审，并对每一个项目给出可行/不可行的结论。

3.2.2 确定管理和技术实施依据

研究规划批准以后，PIM开始策划各个研究项目的设计和开发，起草有效载荷集成协议(PIA，Payload Integration Agreement)、接口控制文档、工作计划、有效载荷数据产品等文件。在这些文件的起草过程中，PIM会与PD充分沟通和协调，详细讨论ISS向有效载荷提出的要求、PD提出的资源和服务需求、职责、进度、顶层接口等相关内容。

3.2.3 飞行准备就绪证明

ISS的飞行准备就绪证明(CoFR，Certificate of Flight Readiness)过程包括一系列详细的准备就绪评审［1］，通过这些评审确认各方已经具备支持航天器的发射、停靠、撤离和返回、飞行试验期间在轨活动的状态，不存在影响发射及任务成功的遗留问题。CoFR过程的最后一个评审是ISS项目运行控制准备就绪(SORR，Stage Operations Readiness Review)评审，一般在发射前2到3.5周之间进行，目的是确定整个飞行任务是否具备发射和飞行状态。

3.2.4 硬件进场

硬件进场是研制过程中的一个里程碑事件。PD负责在指定的时间内将硬件运输至指定地点，运抵后进行技术状态检查和集成至待发射的航天器上。一般在技术状态检查前2周进行转运。

3.3 工程集成过程

3.3.1 产品研制

根据接口要求文件和接口控制文件的要求，PD研制有效载荷并确保其接口设计和验证满足ISS项目的要求。

在产品研制过程中，ISS特别重视有效载荷安全性的控制。一旦对候选载荷提出安全性要求，在整个有效载荷集成过程中，该载荷共需要进行4 个阶段的安全性评审［1，10］:概念设计阶段的0阶段安全性评审定义危险源;概要设计阶段I阶段的安全性评审则通过初步验证优化危险源定义和危险控制;详细设计阶段II阶段的安全性评审识别设计更改、新的危险源和控制措施，并确定安全性验证方法;在运输至发射场前，进行III阶段的安全性评审完成安全性验证，这次评审必须在转运前30天完成。

地面系统安全性评审与飞行产品安全性评审同步进行，明显的区别是地面系统评审一般只需要进行一次函评。PD负责地面处理过程中其自己系统和人员的安全，同时不影响其他载荷、航天器和发射场设施和人员的安全。

3.3.2 载荷运行指南及约束

有效载荷集成团队通过分析有效载荷技术数据，形成有效载荷运行控制指南和约束报告，明确在轨运行期间有效载荷的控制规则和约束。

3.3.3 人因接口要求检查

由专门的人因集成团队通过必要的验证活动确认有效载荷是否满足人因接口的相关要求。人因集成团队有权察看所有与乘员接口要求相关的硬件和图纸。

3.3.4 有效载荷标识审批

有效载荷标识的评估与检查属于人因活动的一部分。ISS有专门的有效载荷标识审批团队，该团队确认有效载荷的标识是否满足关于有效载荷标识的要求，并通过与PD和航天员办公室协调，确定乘员接口标识，目的是标准化有效载荷标识以确保航天员能够更好的理解。

3.3.5 有效载荷噪声控制

为了保证国际空间站内部整体噪声水平适宜航天员驻留，单个有效载荷的噪声水平不能超过一定的限值。应通过声学实验室进行必要的测试，以确保载荷的噪声符合规定的水平。

3.4 软件集成过程

PD在进行软件开发时应该充分考虑ISS研究设施的支持能力和载荷与航天员交互的程度。这两个关键因素将影响软件架构的设计以及软件集成的方式。ISS有效载荷顶层架构主要有全自主、半自主、人机交互和仅作研究等模式［11，12］。全自主软件在载荷加电后即进入工作状态，自主运行，不需要任何地面或航天员的交互，采集的实验数据在轨存储，不需要在轨下传至地面，待有效载荷返回地面后再做处理。全自主软件必须设计成异常情况下自动停止运行模式。半自主软件需要地面的干预。人机交互软件必须在载荷上设计显示面板，且显示面板具有良好的可达性，也可以借助载荷所在研究设施的笔记本电脑或公用笔记本电脑来实现载荷的应用。仅作研究的软件不需要有专门的硬件，它可以上载至站上已有的计算机内，通过自主、半自主或航天员参与的方式运行，地面运控人员可以从在轨的笔记本电脑中将相应的文件下行到地面。

3.5 有效载荷运控集成过程

载荷运控集成［12，13］的概念是为了确保有效载荷和航天器在轨运控顺利实施而开展相应运控产品和程序的开发。在任务前24到30个月就应开始有效载荷运控集成的工作，以确保航天员和地面运控人员能够得到充分的培训，运控依据文件能够及时准备到位。

有效载荷运行中心(POIC，Payload Operations and Integration Center)地面系统向每个载荷提供遥控、遥测和科学数据分发、载荷健康状态分发、任务规划、航天员手册、话音通信和载荷运控信息管理等服务，有效载荷运控中心可以远程接入。

3.5.1 航天员的培训

航天员培训的设计和实施是一项联合工作，包括界面显示、操作手册、航天员培训和执行计划等，由有效载荷运控主管、PD、JSC航天员办公室代表等多方共同对各有效载荷提出的航天员培训需求和航天员培训过程中的关键检查点进行讨论、确定，并最终达成一致。这些需求将作为培训者选择、课程设置和进度安排的基础。

3.5.2 飞控人员培训

在飞控任务中要定员定岗，并接受相应的培训，包括对全体参试人员培训和 PD成员进行培训。

3.5.3 飞控文件的编制

在进行飞行控制工作准备过程中，需要编制有效载荷在轨操作一览表(OOS)、航天员操作手册、地面控制程序、飞行准则文件、有效载荷控制规则等多份飞控文件。

3.6 测试集成过程

如果载荷与ISS上其他设施(载荷实验柜或外部载荷设施)存在接口，发射前需进行集成和接口测试［1］，主要目的是保证ISS和载荷之间的兼容性以及验证与其它载荷的联合运控。载荷的集成测试在模拟站上实验柜或研究设施的地面实验柜或地面设施上进行。环境试验在运抵集成测试中心前完成。

3.7 发射和着陆保障

射前的工作［1，14］包括射前计划、离线准备、载荷集成、测试和检查、接口验证测试和最后在发射塔架上临射安装。着陆后的工作主要是从航天器中取出返回设备。

根据载荷在发射场所需的生命科学处理级别，处理支持分成两类。第一类是很少需要或者没有生物科学处理的载荷，对于此类载荷的保障条件主要包括提供实验室和办公室、通用测试设备，酒精和清洁球等消耗品、转运支持等。第二类是需要进行生物科学处理的载荷，对于此类载荷的保障条件主要包括提供实验室和办公室、消耗品，化学或生物毒性废弃物的处理、设备温度监视和转运支持等。

3.8 任务后报告

飞行实验结束后，NASA要求各方进行多层面、分阶段的总结，并提交总结报告［1］。需要从科学研究角度总结在任务期间研究实验的完成情况、资源利用情况、实验结果和投资回报评估等。该报告的目的是总结成功经验和偏离预期的情况，以便提高后续任务运控的能力。

3.8.1 经验总结

经验总结是总结整个任务中从研究规划到应用需求的集成和执行过程中获得的全部经验，既包括有效载荷研制又包括科学研究方面的，可以是正面的也可以是负面的，应给出原因和建议。任务结束前2周，所有的PD应开始编写该总结报告。

3.8.2 航天员执行情况交流

航天员执行情况交流的目的是使首席科学家(PI)、硬件开发者、研究管理者、任务集成者、运控和科学研究团队开展与航天员关于有效载荷在轨操作的讨论，获得航天员亲身感受的第一手资料和有价值的反馈，以便为后续任务的航天员手册、硬件和实验方案进行改进设计。航天员反馈内容包括科学观测，航天员手册/运控方案，硬件性能/设计，参与科学实验分配的时间，航天员培训和运控支持等。正常情况下，与航天员的交流在航天员返回地面后15至45天内进行。

3.8.3 30天科学报告

30天科学报告的目的是为ISS项目管理和国际合作科学管理者提供任务期间科学完成情况的初步报告。30天报告中的数据是初步的，不用包括任何数据分析。报告的内容主要总结已经完成的实验和遗留未完成的实验，实际运行情况与计划的对比，实验过程中发生的科学和工程问题等。

3.8.4 一年科学报告

一年科学报告的目的是汇报科学研究成果。该报告给出科学实验数据分析的结果，包含公式、图表、在轨图片、新发现的讨论、列出新发表的文章或专利、提出未来研究的新问题和新想法，该报告一般在航天员返回地面后一年内提交。

4 ISS有效载荷集成流程分析与启示

通过对国际空间站有效载荷主要集成过程的研究可以看出，其有效载荷的集成过程有如下特点可供借鉴:

1)标准集成流程和精益集成流程提供36月研制周期和相对快速集成周期。ISS为不同成熟度的有效载荷和研究项目提供了不同集成流程。为具有成熟产品、对外交互较简单的项目提供了快速入口，通过对入口准则的控制可以使一些研究项目通过相对短期的过程而实现在轨飞行实验。这种因地制宜、区别对待的做法，不但为科学家提供了更多的实验机会，也在一定程度上节约了研究成本。

2)增设有效载荷集成经理，架设有效载荷管理方、研制方和研究团队之间的桥梁。PIM就是空间站项目管理方与PD和PI之间的桥梁和润滑剂，使ISS对载荷的要求得到很好的贯彻，PD和PI的想法和需求得到良好的理解和实现，该岗位或组织的设立，是项目顺利实施的关键。

3)强化全寿命周期管理。ISS认为前期的投入能够起到事半功倍的效果，所以集成重点前移，对前期的研究计划的选择、实验目标和实验需求及资源约束的确定、实施可行性评估等给予了重点审查和协调讨论。另外，在科学实验方案设计和有效载荷研制的过程中充分考虑在轨运控的实现和航天员参与的设计，确保了地面运控人员和航天员对在轨实验项目具备充分的了解。

4)高度重视研究集成，与工程集成分别管理。在工程集成的各阶段，均有所体现，如发射场测试区和发射区均设置有科学实验室，配置有常用的实验室设备。

5)对空间研究实验进行充分的总结，使PI和PD能够充分与参与其实验的航天员进行沟通，督促PI在飞行实验后积极开展科学实验结果的分析和提出新的实验想法，从而能够获取重大科技成果和应用效益。这种做法不但有效指导了后续任务，而且使科学实验成果科学合理的呈现在公众面前。

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